1.项目背景

1.1海洋防污的背景

广阔无垠的海洋蕴藏着无法估量的资源，是大自然对人类的恩赐。人类对海洋的探索始于数千年前，如今开发和利用海洋资源已成为许多国家的重要发展战略。然而，海洋工业和海洋活动都不可避免地遇到海洋生物污损(Marinebiofouling)这一问题。海洋生物污损是指海洋微生物、植物和动物在浸没于海水的表面上吸附、生长和繁殖所形成的生物垢^[1,2]，它会给船舶、核电站和采油平台等海洋工程装备造成巨大的危害^[3-6]。例如：船体由于海生物的附着而变得粗糙，同时重量增加，造成航行阻力和燃油消耗的显著增加，导致每年数十亿美元的经济损失和温室气体排放量的上升。藤壶等海生物的分泌物还会诱导、加速设备金属表面的腐蚀，导致其强度下降而造成安全隐患，缩短设备服役期。污损生物还可能堵塞输送海水的管道，严重影响海水蓄能电站、核电站和潮汐发电机组等重大设施的正常运行。在海产养殖网笼中，被堵塞的网孔难以充分交换营养物及氧气，造成鱼虾等养殖物的死亡。此外，附着在船体的海生物还可能入侵到新的海域并与原有的生物形成竞争，影响生态平衡。

1.2海洋生物污损的形成过程

关于海洋生物污损的形成，根据目前最为广泛接受的理论^[7]，这个过程通常经过四个阶段。一个表面在浸没在海水后的数分钟内就会被蛋白质，多糖和糖蛋白等大分子所粘附，形成基膜，这是第一阶段。随后细菌在基膜上附着繁殖形成生物膜，因为浮游细菌是通过范德华力和静电相互作用等弱作用力在基膜上附着的，因此这过程一开始是可逆的。但随着细菌开始分泌胞外代谢物，细菌的附着变得牢固，这是第二阶段，可在数小时内完成。在第三阶段，由于生物膜为硅藻孢子等多细胞的小型污损生物提供了良好的生存条件，使表面在几天内覆盖着黏液层。最后，藤壶、贻贝、苔藓虫、盘管虫和大型藻类等种类繁多的大型污损生物附着生长，此过程可在一两个月内完成，可覆盖材料表面数年之久。

然而上述过程并不是一成不变的，几个过程之间没有必然的先后性。另外，由于海洋生物的物质多样性及复杂的习性，上述理论仅适用于部分污损生物，而大型绿藻石莼的孢子和纹藤壶的幼虫可在无生物污垢的表面浸泡海水几分钟内附着，无需生物膜和黏液的存在。污损生物的附着生长很大程度上受温度、酸碱度、盐度、水流速度和基底种类的影响，这些极其复杂的因素给了海洋防污巨大的挑战，特别是对静态条件下服役的海洋设备（采油平台和停航时的船舶等）而言，污损生物很少受强水流的冲刷，更易在设备表面积累，长效的防污效果极难达到。

1.3海洋防污技术的发展史

自人类开始探索海洋以来，海洋生物污损带来的问题一直困扰着我们。19世纪以前，人们利用蜡、焦油、沥青、砷和硫磺等制备防污涂料，或利用铜、铅等延展性金属来包覆木船以减少海生物附着^[8]。但随后铁船的问世使得金属包覆技术逐渐被舍弃，因为钢铁的腐蚀会由于铜的存在而加速。但对铜腐蚀的研究中人们发现了铜离子具有污损阻抗性，因此人们将以氧化亚铜或硫酸铜作为防污剂，搭配氯化橡胶和松香等基体树脂制备防污涂料。1950 年代，具有高效性和广谱性的有机锡开始取代铜化合物作为防污毒料，而 1970 年代更是出现了接枝有机锡基团的丙烯酸锡酯树脂，配合氧化亚铜使用，由锡酯键水解释放的有机锡基团和铜离子赋予了涂料优异的防污效果，是划时代的防污技术。然而人们发现有机锡会在鱼、贝壳及植物体内长期积累，造成生物体的遗传变异，严重破坏海洋生态系统。因此，国际海事组织（IMO）在2008 年宣布全球范围内禁止使用有机锡类涂料。在此之后，研究者开发出许多相对环境友好的防污材料，包括防污剂（无锡）释放型涂料、污损脱附型涂层（Foulingrelease coatings, FRC）、生物降解高分子防污材料和仿生防污材料等。

2.研究现状

由于具有微结构的表面特有的作用机理及潜在应用前景，近年来，越来越多的实验、理论分析和数值模拟研究相继展开，同时随着微观流体力学、数值计算软件和计算机可视化开发技术的迅速发展，为揭示其防污机理，研究者对具有微结构的表面做了深入、细致的研究。目前，在实验方面，国外对含微结构表面的防污性能已开展了广泛深入的研究，而国内对此方面的研究处于刚刚起步阶段。在理论研究方面，国内外从微结构方面防止微生物附着的内在机理研究尚未深入展开。在实验研究方面，许多学者仿照鲨鱼表皮制造出含微结构的表面材料，测试其防污性能。